永磁同步电机伺服系统模型自适应补偿复合控制策略研究

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针对永磁同步电机伺服系统存在多变量强耦合、参数变化、外部负载扰动、未建模动态和非线性等问题,近年来,相继出现了预测控制、内模控制、滑模控制、智能控制及各种非线性控制等先进的永磁同步电机伺服控制策略,但各种先进控制策略既有自身优点,也存在一些不足。因此,将各种控制策略互相渗透复合,克服单一控制策略的不足,以提高整个永磁同步电机伺服系统的性能,已是当前永磁同步电机控制研究的热点。本文在对输入受限下的内模控制和组合非线性反馈控制策略研究的基础上,结合基于仿射投影算法参数辨识的模型自适应动态补偿,形成新的复合控制策略,并研究了永磁同步电机电流、速度、位置控制问题和设计了相应的复合控制策略。主要内容概括如下:   ⑴研究了仿射投影参数估计算法,以此为基础,提出一类单输入单输出系统离散模型自适应补偿算法,并针对在实际工程中以标称模型设计的内模控制器和非线性反馈控制器存在对时变参数自适应性差的问题,提出了基于在线模型自适应补偿算法的内模复合控制与离散组合非线性反馈复合控制。   ⑵针对反电动势对小转动惯量永磁同步电机电流动态性能的影响,以考虑反电动势和逆变器惯性环节的小转动惯量永磁同步电机电流环三阶模型为对象,设计永磁同步电机电流环内模控制器,以提高小转动惯量永磁同步电机电流动态响应性能;为了提高定子电阻、电感、转动惯量或负载转矩的变化时的永磁同步电机电流控制系统鲁棒性和解耦能力,将模型自适应补偿内模复合控制应用于电流环控制。理论分析、仿真和实验结果表明小转动惯量永磁同步电机电流内模控制能很好提高小转动惯量永磁同步电机电流动态响应性能,而模型自适应补偿内模复合控制输出电流能很好的跟踪给定电流且无超调,具有很强的参数鲁棒性。   ⑶为提高永磁同步电机速度环的参数变化和对负载扰动的鲁棒性,通过分析速度环模型自适应补偿的充分条件,设计了基于仿射投影算法的负载、参数观测器,并以该参数和负载观测值计算出前馈补偿量,补偿到速度控制系统中,实现速度控制系统的模型自适应补偿内模复合控制。仿真和实验表明该模型自适应补偿内模复合控制速度脉动小、静态性能和动态性能优越,能较好的克服负载扰动和电机参数变化对速度跟踪动静态性能的影响,具有在线计算方便,工程易实现等特点。   ⑷将非线性反馈控制与基于仿射投影算法的模型自适应补偿相结合的新型组合控制方法应用于永磁同步电机伺服系统位置控制,根据离散非线性反馈控制稳定性条件,详细设计了永磁同步电机伺服平台位置控制器。仿真和实验表明该新型组合控制方法除了能够无稳态静差、无超调快速跟踪参考位置外,还具有良好的参数、负载自适应性和鲁棒性,为研究高性能永磁同步电机伺服系统提供了新方法。
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